Hydrodynamique de l’Etang de Berre : un facteur clé de l’écosystème

EDF R&D – LNHEN. Durand, L. Martin, E. Razafindrakoto, J.M. Hervouet

Rencontres Lagun’R – 14 mars 2011

Introduction : mécanismes hydrodynamiques en jeu

Une masse d’eau confinée, peu profonde

Une superposition de forçages physiques

Apports d’eau douce

Marée

Vent

Pluie / Evaporation

Dynamique complexe : marée, vent, effets de flottabilité

Effets 3D importants (circulation, salinité)

Le modèle numérique : objectifs

Comprendre le fonctionnement hydrodynamique

Fournir les données d’entrée nécessaires à la modélisation biogéochimique

Tester des scénarios de gestion et des stratégies de réhabilitation

Un modèle numérique qui calcule l’évolution des masses d’eau(courants, salinité, température) en réponse aux forçages par lamarée, le vent et les effets de flottabilité :

Sa capacité à reproduire la stratification est un point cléSeul un outil 3D est pertinent

La Plate-forme Hydro-Environnementale 2010-2015

ESTEL2D/3D (EFMH)

SYSIPHE

DELWAQ (Deltares)

2 dimensionsSt Venant

Hydraulique à surface libre

Sédimentologie

Qualité d’eau

Écoulementssouterrains

Vagues

TELEMAC-2D SPARTACUS

MailleurParallèle

Pré-processeur SPH

Bibliothèques, pré et post-processeurs communs-

BIEFBibliothèque

éléments finis

Paraview / TECPLOT

Interface Java

3 dimensions

SPHNavier-Stokes1 dimension

St Venant

MASCARET

BIBLIOTHEQUE DE TERMES SOURCES et PUITS

QUALITE D’EAU / SEDIMENTSMODULE PARTICULAIRE

ARTEMIS

TOMAWAC

Code de houles Non-linéaires

COURLIS

TRACER

TELEMAC-3D

TELEMAC-3D

Le modèle numérique : description (1/2)

Logiciel Telemac-3D (V6P0), code 3D en éléments finis

Equations de Navier-Stokes à surface libre

Modèle de turbulence adapté aux milieux stratifiésContraintes :

Rejets d’eau douce (Arc, Touloubre, Saint-Chamas) : débit, t°, salinité nulle

Limite marine : hauteur d’eau (marégraphe), t° et salinité de l’eau de mer

Surface : vent, évaporation, précipitations, t° de l’air

En sortie du modèle :

3 composantes de la vitesse

salinité et température

cote de la surface libre

Le modèle numérique : description (2/2)

115 140 éléments

31 plans verticaux

Rejet de Saint-Chamas Mediterranée

Etang de Berre

Canal de Caronte

Maillage Vertical

Maillage :

- Résolution fine suivant la verticale (20 à 80 cm)

- Raffinement au niveau des entrées (Caronte, Saint-Chamas, Arc, Touloubre) (10 à 600 m)

Simulations :

- 3 mois de temps physique en moins de 5 heures sur 64 processeurs (Clamart2)

Le modèle numérique : calibration et validation (1/2)

Pointe De Berre

Vaϊne

3 frères

Arc

Martigues

St Chamas

Ranquet

Caronte

SA1

SA2

SA3

Calibration du modèle (frottement au fond, entraînement par le vent)

données 1996 (LNHE)

Validation du modèle :Mesures 2005 dans le canal de Caronte

Mesures en continu depuis 2006 (Réseau de suivi physique)

Réseau de suivi physique – mesures en continu depuis sept. 2006 :- Caronte : S et T à 5 profondeurs + courants + hauteur d’eau- 3 stations centrales : S et T à 5 profondeurs + campagne courants et houle (fin 2007 - déb. 2008)- 7 stations littorales : S et T à 1 m du fond

Le modèle numérique : calibration et validation (2/2)Le modèle numérique : calibration et validation (2/2)On vérifie la capacité du modèle :

à bien représenter les vitesses

Vitesses à Caronte (-2.5m, -9.5m)

• direction simulée

• direction mesurée

– intensité simulée

– intensité mesurée

Le modèle numérique : calibration et validation (2/2)On vérifie la capacité du modèle :

à bien représenter les vitesses

à quantifier les échanges entre l’étang et la mer

Débit saumâtre mesuré et simulé à Caronte du 17 novembre au 2 décembre 2005

-600

-400

-200

0

200

400

600

0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000

temps (sec)

dé

bit

(m

3/s

)

Q saumâtre mesuré

Q saumâtre simulé

Débit total mesuré et simulé à Caronte du 17 novembre au 2 décembre 2005

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000

temps (sec)

dé

bit

(m

3/s

)

Q total mesuré

Q total simulé

Débit solide total mesuré et simulé à Caronte du 17 novembre au 2 décembre 2005

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000

temps (sec)

déb

it s

olid

e en

kg

/s

Q solide total mesuré

Q solide total simulé

Débit marin mesuré et simulé à Caronte du 17 novembre au 2 décembre 2005

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000

temps (sec)

dé

bit

(m

3/s

)

Q marin mesuré

Q marin simulé

Débit total Débit solide

Débit marinDébit saumâtre

17/11- 02/12 2005

Le modèle numérique : calibration et validation (2/2)

Débit saumâtre mesuré et simulé à Caronte du 17 novembre au 2 décembre 2005

-600

-400

-200

0

200

400

600

0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000

temps (sec)

dé

bit

(m

3/s

)

Q saumâtre mesuré

Q saumâtre simulé

Débit total mesuré et simulé à Caronte du 17 novembre au 2 décembre 2005

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000

temps (sec)

dé

bit

(m

3/s

)

Q total mesuré

Q total simulé

Débit solide total mesuré et simulé à Caronte du 17 novembre au 2 décembre 2005

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000

temps (sec)

déb

it s

olid

e en

kg

/s

Q solide total mesuré

Q solide total simulé

Débit marin mesuré et simulé à Caronte du 17 novembre au 2 décembre 2005

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000

temps (sec)

dé

bit

(m

3/s

)

Q marin mesuré

Q marin simulé

Débit total Débit solide

Débit marinDébit saumâtre

17/11- 02/12 2005

chute de la pression

atmosphérique

On vérifie la capacité du modèle :

à bien représenter les vitesses

à quantifier les échanges entre l’étang et la mer

Le modèle numérique : calibration et validation (2/2)On vérifie la capacité du modèle :

à bien représenter les vitesses

à quantifier les échanges entre l’étang et la mer

à reproduire les épisodes de stratification / mélange de la colonne d’eau

Salinité en SA 3 à différentes profondeurs

15

20

25

30

35

40

01-s

ept-0

6

16-s

ept-0

6

01-o

ct-0

6

16-o

ct-0

6

31-o

ct-0

6

15-n

ov-06

30-n

ov-06

14-ja

nv-07

29-ja

nv-07

15-m

ars-

07

30-m

ars-

07

Sal

init

é (g

/l)

SA3 (-1m) SA3 (-4m) SA3 (-9m)

simulé (-1m) simulé(-4m) simulé(-9m)

présence du coin salé

colonne d’eau mélangée pendant épisode de Mistral

baisse de salinité liée au turbinage

Salinité en SA3 (-1m, -4m, -9m) pendant 6 mois

Actions en cours et perspectives

Des pistes d’amélioration du modèle numériqueModélisation plus fine de la turbulence (modèle k-є)

Modélisation plus élaborée des échanges thermiques air-eau (évaporation)

Meilleure prise en compte du vent en surface ?

Couplage avec le modèle qualité d’eau de l’étang de Berre (DELWAQ)

Simulations longue durée (13 années)

Différents travaux autour du modèle « Berre »Utilisation du modèle Berre en HPC (Calcul Haute Performance) : 40 millions de mailles

Assimilation de données (collaboration CERFACS)

Couplage avec un modèle de houle (projet « Herbiers »)